揭示六价铬驱动厌氧甲烷氧化的微生物机制与电子传递网络

《Environmental Research》：Unraveling the Microbial Mechanisms and Electron Transfer Networks of Cr(VI) Driven Anaerobic Methane Oxidation

　　

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  Cr-AOM能够实现Cr(VI)去除和甲烷减排的同步进行。
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  Methyloceanibacter、Methylocystis 和 Candidatus Bathyarchaeia 是驱动 Cr-AOM 的主要功能微生物。
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  Cr-AOM 通过逆向甲烷生成途径进行甲烷代谢。
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  ChrR、细胞色素 c、PilA 蛋白和核黄素介导胞内和胞外电子传递。
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  微量的硫酸盐增强了 Cr-AOM 中的电子传递过程。

引言

甲烷（CH₄）对全球气候变化产生深远影响。尽管其在大气中的寿命相对较短，但其强大的增温效应使其成为近期全球变暖的关键驱动因素（Li et al., 2022; Wang et al., 2025）。越来越多的证据表明，甲烷削减是速度最快、最具成本效益的气候缓解策略之一（Liu et al., 2025）。由于其极高的全球增温潜势（Zhuang et al., 2025），近期减少甲烷排放将能立即产生减缓气候变暖速度的效益。在甲烷释放到大气之前，它会受到一个关键的生物过滤器——厌氧氧化甲烷（AOM）——的过滤，这是一个抑制自然沉积物向大气排放甲烷的关键微生物过程，现在被认为是减少甲烷排放的主要途径（Barney et al., 2024; Huang et al., 2025）。与硫酸盐还原依赖的厌氧甲烷氧化（SAMO）和反硝化依赖的厌氧甲烷氧化（DAMO）相比，金属依赖的厌氧氧化甲烷（Metal-AOM）出现得更晚（Cai et al., 2026; Ettwig et al., 2008; Niu et al., 2026; Xue et al., 2022）。Metal-AOM 过程将全球碳循环与金属生物地球化学循环联系起来，不仅在甲烷削减和气候稳定方面发挥着关键作用，还在阐明碳、氮和金属循环之间的耦合生物地球化学机制方面具有重要意义。然而，目前对 Metal-AOM 的研究主要集中在铁和锰上（Cai et al., 2018; Espinosa-Arzate et al., 2025; Leu et al., 2020; Liu et al., 2023），对其他金属的报道较少。

最近的研究将 Cr(VI) 还原与 AOM 结合，发现 CH₄ 可以作为 Cr(VI) 还原的电子供体，表明 Cr(VI) 还原和甲烷氧化之间可能存在潜在联系（Lu et al., 2016）。然而，Cr(VI) 具有高毒性、高迁移性和持久性；一旦进入地下水，就会形成广泛的污染羽，破坏水生生态系统（Sangkarak et al., 2025）。此外，Cr(VI) 污染会导致土壤功能退化和抑制土壤微生物活性，对环境修复构成挑战（Oruko et al., 2025; Wani et al., 2018; Zha et al., 2024）。先前的研究采用了各种 Cr(VI) 去除方法，包括化学沉淀、离子交换、还原、电化学策略和吸附； however，大多数方法难以实施且成本高昂（Assefa et al., 2024; Lei et al., 2020），还可能产生大量含铬污泥，造成二次污染（Kim et al., 2023; Xia et al., 2019）。相比之下，将 Cr(VI) 还原与 AOM 结合比传统方法具有显著的成本降低，提供了一种绿色可持续的生物修复方法，有望同时实现温室气体减排和重金属污染治理。然而，Cr(VI) 还原与 AOM 耦合的研究仍处于早期阶段，许多科学问题尚未解决。

先前的研究表明，Cr(VI) 会影响接种了 DAMO 富集培养物的 AOM 过程，并且 Cr(VI) 还原会导致微生物群落结构的转变，表明 Cr(VI) 可能参与 AOM 过程（Lu et al., 2016; Luo et al., 2019）。然而，Cr(VI) 对 CH₄ 减排的具体贡献尚未见报道，厌氧甲烷氧化潜力和同位素分馏因子等关键参数仍未知。关于参与 Cr-AOM 的微生物，目前的研究表明，厌氧甲烷营养古菌（ANME）在此过程中显著富集，并代表优势类群（Lu et al., 2016; Wang et al., 2024）。一项使用铬酸盐作为电子受体、CH₄ 作为电子供体的膜生物膜反应器的研究表明，Candidatus Methanoperedens 是反应器中唯一富集的厌氧甲烷营养菌（Luo et al., 2019），表明其在 Cr-AOM 中的关键作用。然而，这些发现主要基于宏基因组分析，Cr-AOM 中确切的功能微生物类群尚未最终确定。此外，研究表明，多血红素 c 型细胞色素（MHCs）、NAD(P)H/F₄₂₀H₂ 相关酶和甲酸依赖的亚硝酸盐还原酶可能在胞内和胞外 Cr(VI) 的固定和还原中发挥积极作用（Wang et al., 2024），表明它们可能参与 Cr-AOM 的电子传递和代谢途径。然而，Cr(VI) 参与 AOM 代谢的具体机制，以及影响 AOM 过程的基因和蛋白质仍知之甚少。因此，需要进一步研究以阐明 Cr-AOM 的代谢途径和电子传递机制。

在本研究中，采用气相色谱法、稳定同位素标记、DNA 稳定同位素探针（DNA-SIP）、电化学和宏组学分析。以 CH₄ 和 Cr(VI) 为底物，进行了¹³C 标记 CH₄（¹³CH₄）微宇宙实验。本研究的主要目标如下：(1) 确定 Cr(VI) 驱动的 AOM 潜力及相关同位素分馏因子；(2) 确定以 Cr(VI) 作为电子受体参与 AOM 的关键功能微生物类群；(3) 阐明 Cr-AOM 的代谢途径和电子传递机制。预期研究结果将为推进 Metal-AOM 的理解提供理论基础，并为金属氧化物还原与碳、氮和硫的生物地球化学循环耦合提供进一步见解。

各章节片段

厌氧批次微宇宙的构建

厌氧批次微宇宙在250毫升密封血清瓶中建立。实验通过运行三组培养容器建立：空白组（A1）、实验组（A2）和对照组（A3）。A1组仅接种富集培养物。A2和A3组均添加10 mg·L^-1 Cr(VI)，A2使用¹³C标记 CH₄，而A3使用未标记 CH₄（¹²CH₄）。所有三组培养容器均接种50毫升富集培养物，并补充...

CH₄ 消耗速率

以 CH₄ 作为电子供体，在培养容器中进行富集培养后，进行了使用¹³CH₄的微宇宙标记实验。CH₄消耗速率如图1所示。在整个反应过程中，CH₄浓度呈现显著下降趋势，后期下降明显加速。在第二个标记周期中，确定了含铬实验组（A2）和无铬空白组（A1）的同位素分馏因子。

结论

在本研究中，我们的结果提供了证据，表明 Cr(VI) 可以在甲烷营养富集培养物中被还原，并且甲烷氧化和 Cr(VI) 还原同时发生。在 Cr(VI) 存在下，AOM 潜力可达 11.039 μg·g^-1·d^-1。阐明这一生化过程为同时实现温室气体减排和重金属污染治理提供了参考。Methyloceanibacter、Methylocystis 和 Candidatus Bathyarchaeia 被鉴定为主要...

CRediT 作者贡献声明

Jiayue Zhang：可视化，写作 – 审阅与编辑。Rui Gan：写作 – 原稿，正式分析，数据管理，写作 – 审阅与编辑。Wei Chen：方法论，调查研究。Ke Zhang：监督，资源，资金获取，写作 – 审阅与编辑。Zebi Liu：方法论，数据管理。Hongbing Luo：监督，方法论

未引用参考文献

Liu and Teng, 2025; Wang et al., 2025; Wei and Zhu, 2026; Zhuang and Feng, 2025.

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的 competing financial interests 或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52370117，51808363）和四川省自然科学基金（编号：2024NSFSC0383，2024NSFSC0821）的支持。

Rui Gan|Zebi Liu|Hongbing Luo|Wei Chen|Jiayue Zhang|Ke Zhang